einleitung - tssbit.de file · web viewim rahmen des berufsbezogenen unterrichts haben wir in...

Einleitung

Im Rahmen des berufsbezogenen Unterrichts haben wir in einigen Lernfeldern u. a. die Grundlagen und Maßnahmen zur Energieeinsparung problematisiert und diskutiert. Nachdem unser Klassenleiter, Herr Krames, uns den „Raiffeisen Energie-Cup - . . . der Jugendwettbewerb 2010“ vorgestellt hatte, wollten wir ganz konkret das, was schon des Öfteren im Unterricht angedacht hatten, umsetzen,Dabei haben wir versucht in unserem direkten Umfeld, der Theobald-Simon-Schule, Berufsbildende Schule Bitburg, einige Ideen aufzuzeigen, wie mit Energie sinnvoll und verantwortungsbewusst umgegangen werden kann. Wir waren selbst über die vielen Einsparmöglichkeiten – energetischer wie auch finanzieller Art - überrascht.

Innerhalb unserer Klasse Elektroniker, Fachrichtung Energie- und Gebäudetechnik (BS EEG 07) haben wir in mehreren Teams verschiedene Aspekte untersucht:

1. Photovoltaik-Anlage TSS Bitburg (Joachim Palzkill, Frank Winter)

2. Energieeinsparungsmöglichkeiten in EDV-Räumen durch den Einsatz energieeffiziente PC-Systeme (Johannes Thiel)

3. Ressourcenschonung durch energiesparende Beleuchtung (Tristan Kaisen, Oliver Kinnisch)

4. Energiesparen durch KNX/EIB (Jonas Urbanek)

Die von uns eingesetzten Programme kommen sowohl im Unterricht in der Schule als auch im Betrieb zum Einsatz.Auf eine ausführliche Darstellung zu den physikalischen und technischen Grundlagen muss leider wegen der Seitenvorgabe verzichtet werden; in den Ausführungen werden deshalb nur einige grundlegende Ausführungen gemacht und die wichtigsten Ergebnisse formuliert.

1. Photovoltaik-Anlage TSS Bitburg (Joachim Palzkill / Frank Winter)

1.1 Einführung Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". An diesem Übergang liegt nun bei Sonneneinstrahlung eine Spannung an.Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak (Abkürzung für Watt peak, s. Peakleistung (Spitzenleistung). Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonnenein-strahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

1.2 Arten von Solarzellen Monokristallin: aufwendigere Herstellung - daher teurer, Wirkungsgrad 15 -18 %,

längste Energierücklaufzeit, benötigte Fläche: 7 - 9m² pro 1 KW Leistung Multikristallin: kostengünstigere Herstellung, Wirkungsgrad 12-14 %, mittlere

Energierücklaufzeit, benötigte Fläche: 8 - 10m² pro 1 KW Leistung Dünnschicht: kostengünstigste Herstellung, Wirkungsgrad 5-12 %, kürzeste

Energierücklaufzeit, benötigte Fläche: 11 -1 3m² pro 1 KW LeistungEs gibt viele weitere Solarzellentypen, die teilweise noch im Laborstadium sind, und Wirkungsgrade bis zu 30 % erzielen.

1.3 Dach Neubau TSS BITZwei große Dachflächen der Theobald-Simon-Schule bieten sich für den Einsatz von Photovoltaik-Modulen an: Altbau und Neubau (Anmerkung: Der Neubau wurde 1969 errichtet und ist energetisch nicht auf dem aktuellen Stand).Beide Dachflächen wurden berechnet; in diesen Ausführungen wird jedoch nur das Dach des Neubaus beschrieben. Hier die Anordnung der Module:

Photovoltaikplatte: SANYO HIP 220 HDE 1 Maximalspannung 33.5V Maximalstrom 6.57A Maximalleistung 220Wp

Wechselrichter: SUNNY TRIPOWER 12000TL- 10 DC Eingangsspannung: 380 – 800V

Maximalstrom: Eingang A: 22A, Eingang B: 11A

Man erhält bei einer Parallelschaltung von 3 Strings bei Eingang A einen Maximalstrom von 19,71 A und eine Spannung von 469 V. Daraus folgt eine maximale Leistung von 9.243 W.

Bei Eingang B wird nur 1 Strang angeschlossen. Bei einem Maximalstrom von 6.57 A liegt eine Spannung von 469 V an. Daraus folgt eine maximale Leistung von 3.081 W.

Die Gesamtleistung eines Wechselrichters beträgt 12.324 W.Bei diesem Dach werden 5 Wechselrichter benötigt, die alle die gleichen Anschlusswerte haben, daraus ergibt sich eine Gesamtleistung von 61.621 W

1.4 Wirtschaftlichkeitsberechnungen bis 20 Jahre *EEG: Erneuerbare Energien GesetzDie Rechenwerte resultieren vom Photovoltaik Rechner auf Solar One. de• Nennleistung der Anlage Gesamtleistung von 61.621 Wpeak • Netto-kWpeak-Preis PV-Anlage 2.806,00 €• Einspeisevergütung je kWh 0,3816 €• anfänglicher jährlicher Stromertrag 925.29 kWpeak• durchschnittlicher jährlicher Nettoertrag 19.456.00 €• Rohertrag EEG*-Zeitraum 426.268,00 €• Herstellungskosten 172.878,00 €• Bruttoüberschuss EEG-Zeitraum 253.390,00 €• Instandhaltungsvorsorge EEG-Zeitraum 17.824,00 €• Versicherung EEG-Zeitraum 7.129,00 €

Reingewinn nach 20 Jahren: 228.437 € !!!

1.5 Wirtschaftlichkeitsberechnungen 20-30 Jahre

Reingewinn nach 20 Jahren: 228.437 €• Liquidität bis 20 Jahre• Zufluss jährlich 19.456 € • Ertragsberechnung 20-30 Jahr• Rohertrag 20-30 Jahr 153.919 €• Instandhaltungsvorsorge 20-30 Jahr 8.644 €• Versicherung 20-30 Jahr 3.458 €

Reingewinn 20-30 Jahr 141.817 €• Liquidität 20-30 Jahr• Zufluss jährlich 14.182 €• Ertrag Gesamtlaufzeit

Reingewinn Gesamtlaufzeit 30 Jahre 381.145 €

Der Gesamtgewinn beider Anlagen auf dem Alt- und Neubau würde sich nach 30 Jahren auf

517.347,00 € belaufen.

2. Energieeinsparungsmöglichkeiten in EDV Räumen (Johannes Thiel)

In den folgenden Ausführungen wird untersucht, in wie weit es möglich ist, durch den Ersatz veralteter PCs Energie und Geld zu sparen.Die Untersuchung bezieht sich auf den PC-Raum 105 der Elektroniker mit 8 Schüler- und 1 Lehrerarbeitsplatz. Aktuelles PC System an unserer Schule: CPU: Athlon XP2600 1,92 GHz - Arbeitsspeicher: 1024 MB DDR-2-RAM 400 MHz - Festplatte: 40GB - Grafikchip: NVIDIA GeForce4 MX 440 -

Monitor: Acer LCD Monitor 22“ - Zusätzlich: DVD Laufwerk, Audio, LAN, USB 2.0 - Anwendungsbereich: Office, Internet, Multimedia

Die Werte in den Berechnungen beziehen sich auf folgende 3 PC Systeme, die als besonders energiesparend und leistungseffizient ausgezeichnet wurden:

System 1 439 €

System 2 340 €

System 3 265 €

CPU AMD Athlon II X2 235e [2x 2.70GHz]

Intel Atom 330 [2 x 1.60GHz]

Intel® Atom N230 [1,6 GHz]

Arbeits-speicher

2048mb DDR-3-RAM PC1333

2048mb DDR-2-RAM PC800

1024mb DDR-2-RAM

Festplatte 250 GB (2,5 Zoll Notebook-Festplatte)

320 GB (2,5 Zoll Notebook-Festplatte)

160 GB (2,5 Zoll Notebook-Festplatte)

Grafikchip ATI HD 4200 (DirectX 10.1)

ION - NVIDIA GeForce 9400

Intel GMA950

Zusätzlich DVD Brenner multinorm, 7.1 Audio, LAN, USB 2.0

DVD Brenner multinorm, 5.1 Audio, ESATA, GLAN, USB 2.0

WLAN, Audio, LAN, USB 2.0, Microsoft Windows® XP Home

Anwendungs-bereich

Office, Internet Multimedia

Office, Internet Office, Multimedia

Monitor 22": LG Flatron E2250V 240,00 €Um den Energiebedarf des Systems weiter zu optimieren, kann man die Komponenten bei größeren Projekten noch weiter optimieren. Alle Werte in der Excel-Tabelle stammen aus Messungen in unserer Schule, die mit Hilfe eines Energiemessers der Firma Voltcraft aufgezeichnet wurden. Die berechnete Amortisation von ca. 25 Jahren ist auf Grund der technischen Entwicklung nicht realistisch, aber eine weitere Optimierung bzw. Neuanschaffung der Anlage ist sinnvoll.

http://www.pcgreen.de

Die beiden Tabellen beschreiben die Ermittlung der Daten, um die Einsparmöglichkeiten aufzuzeigen.

3. Ressourcenschonung durch energiesparende Beleuchtung

Die Beleuchtung spielt in der Schule eine große Rolle, ein gut beleuchteter Arbeitsplatz wirkt sich positiv auf die Konzentrationsbereitschaft aus.Wichtig ist eine gute allgemeine Beleuchtung, da sie die Grundlage für Konzentrations- und Arbeitsbereitschaft darstellt, auch zu berücksichtigen ist die neue europäische Norm die vor-schreibt, wie eine Wandtafel auszuleuchten ist.Es stehen Nachhaltigkeit und Energieeffizienz in einem besonderen Blickpunkt. Es ergeben sich große ökonomische und ökologische Einsparpotentiale durch Beleuchtung; der durch das Licht verursachte Anteil am Gesamtstromverbrauch kann bis zu 70% betragen.So lässt sich beispielsweise allein durch den Austausch der Leuchtmittel bis zu 10% des Energieverbrauches einsparen. Durch den Umstieg auf eine komplett neue Beleuchtungsanlage lassen sich – im Vergleich zu Leuchten aus den 60-ger Jahren - sogar bis zu 70% der Energie einsparen.

3.1 EnergiesparleuchtmittelDurch den Austausch der alten Leuchtstoffröhren gegen neuere lassen sich schnell und unkompliziert 10% des Energieverbrauches einsparen. Dies ist die wohl günstigste und schnellste Methode Energie einzusparen.Deshalb sollte man bei neuen Lichtanlagen in Klassenräumen grundsätzlich die T5 Leuchtstoff-röhren ( 16mm Durchmesser ) verwenden. Gegenüber den alten 26mm Röhren sind diese auch effizienter. Da diese Leuchtmittel in der Regel mit EVG betrieben werden, hat man eine sehr hohe Lichtausbeute vom bis zu 100 Lumen / Watt!

3.2 EnergiesparleuchtenWenn man das komplette Einsparpotential nutzen möchte, kommt man an einer neuen Beleuchtungsanlage nicht vorbei. Hier lassen sich 25% bis zu 70% des Energieverbrauchs einsparen. Die alte Beleuchtung besteht zum Teil noch aus Wannenleuchten, doch deren Wirkungsgrad ist sehr gering, da das milchige Glas sehr viel Licht absorbiert. Hinzu kommt noch der erhöhte Verschmutzungsfaktor. Moderne Spiegelraterleuchten haben einen sehr hohen Wirkungsgrad, da bei ihnen keine Abdeckung vorhanden ist, sondern das Licht mit Reflektoren verbreitet wird. Zudem strahlen diese Lampen das Licht der Leuchtstoffröhre nach hinten und seitlich besser aus. So kann oftmals 2 Wannenleuchten durch nur eine Spiegelrasterleuchte ersetzen werden. Laut Arbeitsschutzverordnung erfüllen diese Leuchten die Voraussetzungen für das Arbeiten an PC-Arbeitsplätzen.

3.3 Das Vorschaltgerät

Einsparpotential im PC-Raum 105

- €

20,00 €

40,00 €

60,00 €

80,00 €

100,00 €

120,00 €

140,00 €

160,00 €

180,00 €

200,00 €

Ersparniss pro Jahr

System 1

System 2

System 3

Grüner LCDMonitor 22"

Legt man großen Wert auf eine hohe Lichtausbeute bei gleichzeitig geringer Energieaufnahme kommt man an elektronischen Vorschaltgeräten (EVG) nicht vorbei. Sie formen aus der vom Netz gegebenen 50Hz Frequenz eine sehr hohe Frequenz von 25kHz bis 50kHz, dadurch wird die Lichtausbeute auf bis zu 12% erhöht und die Energie gesenkt.Weitere Merkmale von elektronischen Vorschaltgeräten sind:

Die Leuchtmittel starten direkt ohne Flackern. Störendes Flimmern der Lampen wird komplett unterbunden. Die Lebensdauer der Leuchtmittel wird verdoppelt. Durch die erhöhte Frequenz wird das menschliche Auge geschont, dadurch wird im

Allgemeinen der Wohlfühlfaktor gesteigert und Übermüdung verhindert.Deshalb sollte man diesbezüglich nicht sparen, und bei neuen Beleuchtungsanlagen grundsätzlich auf EVG umrüsten.

Durch das EVG sind Lampen nun dimmbar, dies ist in Schulen von großem Vorteil; so werden beispielsweise im Winter mit zunehmender Helligkeit die Leuchten runtergeregelt und sparen somit Energie. Ideal ist die Kombination mit z. B. KNX/EIB, wenn diese Leuchten zu bestimmten Zeiten ausgeschaltet werden. Dies ist sehr sinnvoll, da die Leuchten bei Tageslicht so stark gedimmt werden und die Mitarbeiter evtl. nicht mehr erkennen, dass die Beleuchtung eingeschaltet ist.

3.4 Die richtige Platzierung der Beleuchtung

Sehr oft sind die Leuchten falsch angeordnet. Da die Leuchten auch seitlich Licht ausstrahlen geht viel Licht verloren, weil die Leuchten zu nah am Fenster angeordnet sind. Und mehrere einflammige Leuchten haben eine bessere Ausleuchtung als zweilammige. Mit dem uns zur Verfügung stehenden Leuchtenprogramm lässt sich die optimale Platzierung finden

3.5 Lichtsteuerung

Um die Lichtenergie sparsam und trotzdem effektiv nutzen zu können, hat die Lichtsteuerung eine große Bedeutung. Bei großen Anlagen rechnet sich eine durch Lichtsensoren gesteuerte Beleuchtung sehr schnell. Der Lichtsensor erkennt ob ausreichend Fremdlicht (Tageslicht), im Raum vorhanden ist, und passt dann die Lichtleistung der Leuchten durch Dimmen an die Gegebenheiten an. Eine weitere Einsparmöglichkeit ist der Einsatz von Präsenzmeldern. Ein Präsenzmelder erkennt, ob sich eine Person in seinem Erfassungsbereich aufhält und schaltet die Leuchten ein, wenn eine Person in sich in diesem Bereich befindet und nach einer festgelegten Zeit auch wieder aus. Eine Lichtsteuerung lässt sich am besten über KNX/EIB realisieren, die DALI-Steuerung ist hier der beste Weg, über ein DALI-Baustein lässt sich jede Leuchte einzeln ansteuern, so kann man zum Beispiel einen Raum auch in verschiedene Lichtzonen aufteilen.

3.6 Berechnung der Energieeinsparung bei der Beleuchtung

Wir haben die Beleuchtung im PC-Raum 105 untersucht. In folgender Tabelle sind die Einspar-möglichkeiten aufgelistet:

Alte Beleuchtung Neue Beleuchtung

Art Wannenbeleuchtung Spiegelreflektor Hersteller ZEISS IKON Phillips efix Leistungsaufnahme Pro Leuchte

2 x 58W 1 x 49W1 x 80W ( Tafel Licht)

Vorschaltgerät Konventionelles Vorschaltgerät KVG

(Spulenvorschaltgerät)

Elektronisches Vorschaltgerät EVG

Leistungsaufnahme Vorschaltgerät

Ca. 15W 4W

Gesamte Leistungsaufnahme 131 W 53 W84W (Licht a.d. Tafel)

Leistungsaufnahme 1.048 W 592 W

pro Klassenraum Leistungsaufnahme bei 7 Std täglich und 200 Tagen pro Jahr

1.467,2 kWh 828,8 kWh

Energiekosten pro Jahr bei 0,22€/kWh 322,78 € 182,34 €

Die neue Beleuchtungsanlage spart somit ca. 50% der Energiekosten und ca. 500 kg CO2 pro Jahr gegenüber der alten Anlage ein.Bei Berücksichtigung von Lampensteuerungen und Präsenzmeldern sind weitere Einsparung von 40% gegenüber einer Beleuchtungseinrichtung ohne Steuerung realistisch. Somit würden den ursprünglichen Kosten von 322,78 € Kosten in Höhe von ca. 110,00 € gegenüberstehen.

Die Kosten würden somit um ca. 65 % sinken.Bei rund 70 Klassen würden die jährlichen Kosten somit von 22.600 € auf 12.760 € sinken.

Daraus ergibt sich eine Ersparnis von ca. 9.800 € pro Jahr !!!

Klassenraum R 105

Klassenraum R 105 mit DIALux erstellt

Dokumentation der Lichtberechnungen mit DIALux (Software für die Beleuchtungsberechnung)

Tafelbeleuchtung

Raumbeleuchtung

4. Energieeinsparung durch KNX/EIBAuf den folgenden Abbildungen werden Lösungen zum Energiesparen mittels KNX/EIB aufgezeigt. Weder eine Systembeschreibung, Technik, Vorteile noch Anwendungsbeschrei-bungen sollen hier ausgeführt werden. An dem Installationsbeispiel in Raum 105 wird die konkrete Umsetzung von Energiemaßnahmen im Zusammenhang mit anderen Einsparmöglich-keiten kurz beschrieben und an einigen Darstellungen exemplarisch visualisiert:

Darstellung der mit DIALux erstellten lichttechnischen Ergebnisse für Raum 105.

Schlussbetrachtungen

Durch die Teilnahme am „Raiffeisen Energie-Cup - . . . der Jugendwettbewerb 2010“

haben wir ganz konkret an einigen Beispielen aufgezeigt, dass viele Ressourcen vergeudet werden. Wir hätten jedoch nie gedacht, dass so hohe Einsparpotentiale in unserer Schule vorhanden sind. Als Auszubildende Elektroniker, Fachrichtung Energie- und Gebäudetechnik, haben wir uns auf unseren Tätigkeitsbereich konzentriert und mit professionellen „Werkzeugen“ gearbeitet.Bezüglich der Isolierung dieses Betonbaus haben wir keine Überlegungen angestellt; die Fach-leute vom Bau sollten dies einmal recherchieren. Auch hier sind noch Einsparmöglichkeiten.Wir werden jedenfalls unsere Ergebnisse auch dem Schulträger zukommen lassen.Schade, dass wir unsere Arbeit aufgrund der Vorgaben (10 Seiten) nicht komplett dokumentieren können; eine beigefügte Power-Point-Präsentation zeigt im Wesentlichen unsere in WORD verfassten Unterlagen. Doch lassen sich viele Ergebnisse mit den echten Programmen viel besser veranschaulichen.

Die Teilnahme am „Raiffeisen Energie-Cup - . . . der Jugendwettbewerb 2010“ war für alle eine echte Herausforderung, auch wenn die zur Verfügung stehende Zeit war recht knapp bemessen, da auch noch ein Lehrgang bei der Handwerkskammer in den vorgegebenen Zeitrahmen fiel. Des Weiteren soll auch die gute Zusammenarbeit mit den Klassenkameraden erwähnt werden. Es war eine Bereicherung – aber auch hier galt es, Ressourcen zu wecken.

Tristan Kaisen, Oliver Kinnisch, Joachim Palzkill, Johannes Thiel, Frank Winter, Jonas UrbanekKarl-Heinz Krames (StD) als Klassenleiter

Theobald-Simon-SchuleRittersdorfer Str. 254634 Bitburg